Regulation of cellular growth and identification of stromal gene signatures in breast cancer

Abstract

Normal tissue is tightly controlled to keep a balance between reproduction and elimination of cells. In cancer, these regulated processes are disrupted, resulting in uncontrolled cell growth. Regulation of RNA stability and turnover is important to maintain cellular homeostasis and can be controlled by various mechanisms. During stress, the cell can form cytoplasmic complexes of proteins and RNAs, called stress granules, to inhibit translation of proteins unnecessary for the cell during harmful conditions and focus translation on stress-related proteins. In neuroblastoma and breast cancer cell lines, we have found that the protein kinase Cα (PKCα) isoform can influence stress granule formation in a stress inducer-specific way. Depletion of PKCα led to a delayed stress response along with an initial loss of eIF2α phosphorylation in heat shock, but not arsenite, treated cells. G3BP proteins are well-known stress inducers and we identified a direct interaction between PKCα and the G3BP2 isoform.

G3BP2 belongs to a family of three homologous proteins with RNA-regulating capacities. With the aim to identify specific RNA targets, we performed a gene expression analysis and detected a negative regulation of the peripheral myelin protein (PMP22) by the G3BP1 isoform. The previously reported growth suppressing effects by PMP22 was here verified in breast cancer cells and we could show that G3BP1 influences growth regulation by reducing PMP22 expression, although not through mRNA destabilizing mechanisms.

Another RNA regulating mechanism that can promote or prevent tumor progression are mRNA silencing through miRNA. We analyzed miR-34c and its function in breast cancer and identified impaired cell growth, induced apoptosis and cell cycle G2/M arrest, which might be due to regulation of the anaphase-promoting complex protein Cdc23.

The tumor is not a homogenous compartment, but consists of various different cell types, both among the cancer cells as well as in the surrounding stroma. We have developed a methodological procedure for isolation and characterization of cancer- and stroma-specific genes using laser capture microdissection on FFPE triple negative breast cancers. Gene expression microarrays of these samples revealed compartment specific gene expression and enabled identification of stromal-specific gene signatures with tumor-predictive capacity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancer är ett samlingsnamn för flera hundra sjukdomar som har gemensamt att de har fått en okontrollerad celldelning till följd av genetiska förändringar. Celldelning sker ständigt i vår kropp när gamla celler måste bytas ut och nya kopior bildas. Vid dessa processer sker det ofta mutationer i vårt DNA så att informationen förändras, vilket resulterar i att skadan kopieras till den nya cellen som därmed inte blir identisk med sin föregångare. Dessa fel förhindras i det flesta fall genom reparationsmekanismer i cellen, men ibland blir de nya förändringarna för starka och de felaktiga cellerna kan börja dela sig okontrollerat.

All grundinformation om hur cellen ska bli finns i cellens DNA, den så kallade arvsmassan. Informationen i arvsmassan läses av under kontrollerade former och ger då upphov till en ny molekyl som kallas RNA. Denna process heter transkription och efterföljs i många fall av translation, där informationen från RNA-molekylen fungerar som mall för bildandet av proteiner. Celler skickar signaler både mellan och inom sig för att styra olika processer och de flesta av dessa processer regleras av proteiner. På senare tid har man dock förstått att även RNA-molekyler är viktiga för att sköta regleringen i cellerna och i artikel I och artikel III har vi studerat två mekanismer som påverkar cellens RNA-nivåer.

Under cellulär stress, vilket uppstår i cellen när de normala förhållandena förändrats, t.ex. vid förhöjd temperatur eller minskad syrenivå, reagerar cellerna genom att utveckla olika skyddsmekanismser. En av dessa försvarsmekanismer omstrukturerar balansen för bildande av nya proteiner, så att cellen enbart producerar proteiner som kan reparera skadan. De RNA-molekyler som redan var producerade och redo för att bli proteiner tas nu omhand av cellen i ett skyddskomplex som kallas stressgranula. Där förvaras RNAt till dess att stressen försvinner. Om cellen fortfarande har behov av de skyddade RNA-molekylerna kan cellen snabbt starta proteinproduktionen istället för att börja om från DNA-nivån, och de RNA som inte behövs bryts ner. I den första artikeln har vi studerat ett protein som heter proteinkinase Cα (PKCα). Vi har sett att detta protein kan vara viktigt för bildandet av stressgranula och därmed skyddande av cellen. Vi har dessutom sett att PKCα kan binda till ett välkänt stress-skyddande protein som kallas G3BP. Denna bindning skulle kunna vara orsaken till att PKCα kan påverka skyddandet vid stress, men exakt hur det här är reglerat är inte klart.

G3BP är proteiner som finns i höga nivåer i flera olika typer av cancer och man har trott att dessa kan påverka cellernas förmåga att överleva och föröka sig. I artikel II visar vi att G3BP kan leda till ökad celldelning hos bröstcancerceller genom att minska nivåerna av det tillväxthämmande proteinet PMP22.

Cellens RNA-nivåer kan även regleras av en speciell sorts RNA-molekyl som kallas microRNA. Dessa microRNA binder till RNA-sekvensen och förhindrar att RNAt translateras till protein. I artikel III undersökte vi hur ett visst microRNA, miR-34c, kan påverka celldelning i bröstcancer eftersom detta microRNA visat sig skydda mot celldöd och öka nyproduktion av celler in andra cancer former. Vi såg att patienter med höga nivåer av miR-34c hade en bättre prognos än patienter med låga nivåer. I bröstcancerceller kunde vi se att miR-34c hade en negativ effekt på ett specifikt steg i celldelningsprocessen när den viktiga separationen mellan de två nyproducerade cellerna sker. Under celldelningsprocessen finns flertalet kontrollsteg och miR-34c verkar påverka åtminstone ett av dessa genom att minska RNA-nivåerna av Cdc23.

Inom tumörbiologiforskning tittar man mestadels på cancerceller och hur de beter sig, men tumörer består inte bara av cancerceller. Runt tumören finns omgivande celler som kan påverka cancercellernas utveckling, till exempel fibroblaster och inflammatoriska celler. I normala fall har de som uppgift att hindra felaktiga celler från att finnas kvar. Till sin hjälp har de ett strukturellt stöttande extracellulärmatrix och blodkärl och tillsammans kallas denna omgivning för stroma, eller när man pratar om tumörer, tumörcellsmikromiljö. Cancer cellerna kan lära sig att undvika signaler från det omgivande stromat och därmed främja tumörutveckligen. I artikel IV har vi utvecklat en metod för att kunna isolera cancerområden och stromadelar separat med lasermikrodissektion och utforska dessa delars genuttryck. Resultaten visade tydliga gensignaturer från stromadelarna vilka kunde användas för att bedöma prognos för bröstcancerpatienter, men även patienter med andra tumörformer.

• author: Winslow, Sofia
• supervisor: Christer Larsson; Anders Edsjö; Karin Leandersson
• opponent: Ph.D. Åman, Pierre, Sahlgrenska Cancer Center, Department of Pathology, University of Gothenburg
• organization: Division of Translational Cancer Research; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: Breast cancer, cellular stress, proliferation, PKCα, G3BP, PMP22, miR-34c, gene expression profiles, stroma
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2014:55
• pages: 147 pages
• defense location: Forum conference room, Ideon Agora, Scheelevägen 15, Lund
• defense date: 2014-05-15 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87651-81-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7b9e537f-30cc-4242-a707-b5c731cdf7e2 (old id 4394429)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:00:06
• date last changed: 2019-09-13 09:25:09